Des scientifiques développent une mini-installation chimique autonome entièrement alimentée à l’énergie solaire


Les scientifiques d'UVA développent une mini-usine chimique autonome entièrement solaire

Le mini réacteur . Crédit : Groupe de recherche Noël

Le professeur Timothy Noël et ses collègues du Flow Chemistry Group de l’Institut Van ‘t Hoff pour les sciences moléculaires de l’Université d’Amsterdam ont développé un mini-réacteur solaire autonome fonctionnel qui a le potentiel pour la production de produits chimiques fins dans des endroits éloignés sur Terre et peut-être même sur Mars. Dans un article publié par ChemSusChem, l’équipe présente son système de photochimie unique et totalement hors réseau.

Le nouveau système, qui peut synthétiser des médicaments et d’autres produits chimiques en quantités économiquement pertinentes, « brille dans des environnements isolés et permet la décentralisation de la production de produits chimiques fins », a déclaré le professeur Noël. « La mini-usine est basée sur le concept de la photochimie et utilise la lumière du soleil pour « piloter » directement la synthèse . Nous utilisons un photocatalyseur, une espèce chimique qui pilote la synthèse lorsqu’elle est éclairée », poursuit Noël. « En général, des LED puissantes ou d’autres dispositifs d’éclairage sont utilisés pour l’éclairage, mais nous choisissons la lumière du soleil. Pour commencer, cela rend la synthèse complètement durable. Mais il permet également un fonctionnement autonome dans des sites distants. Notre rêve est de voir notre système déployé sur une base sur la Lune ou sur Mars, où des systèmes autosuffisants sont nécessaires pour fournir de l’énergie, de la nourriture et des médicaments. Notre mini-système pourrait y contribuer de manière totalement autonome et indépendante. »

Un réacteur à flux solaire

Le développement de la mini-usine a commencé il y a environ cinq ans lorsque le groupe de recherche Noël – basé à l’époque à l’Université technique d’Eindhoven – a développé un « concentrateur solaire ». Il s’agit essentiellement d’une plaque en plastique transparent avec des canaux de taille micrométrique dans lesquels la synthèse chimique a lieu. En ajoutant des colorants spéciaux, les chercheurs ont transformé le plastique en un guide solaire et un convertisseur de luminescence. Il capte la lumière du soleil et la dirige sur les canaux tout en convertissant une partie substantielle de la lumière en photons rouges qui entraînent la conversion chimique.

L’étape suivante consistait à convertir le concentrateur en un réacteur à écoulement continu entièrement fonctionnel. « Cela signifie que nous pompons un mélange réactionnel de réactifs et de photocatalyseur à travers les canaux éclairés par le soleil », explique Noël. « La conversion chimique souhaitée a lieu dans ces canaux, de sorte qu’ils sont en fait notre alternative aux flacons ou récipients de synthèse chimique traditionnels. » il fonctionne en continu du lever au coucher du soleil. « De plus, ajoute-t-il, l’utilisation de canaux permet un couplage beaucoup plus efficace entre la lumière et la chimie qu’il n’est possible avec les réacteurs à piston conventionnels.

Les scientifiques d'UVA développent une mini-usine chimique autonome entièrement solaire

Le concentrateur solaire a attiré l’attention du monde entier. Crédit photo : Bart van Overbeeke

Efficacité maximale

Le groupe de recherche Noël avait déjà démontré le concept du réacteur à flux solaire en synthétisant un certain nombre de molécules médicalement pertinentes, bien qu’à l’échelle du laboratoire dans un environnement contrôlé. Eh bien, dans leur article le plus récent en ChemSusChem, ils décrivent comment ils ont développé un système photosynthétique autonome stable et efficace de manière optimale et l’ont utilisé dans des tests sur le . En outre, ils fournissent un aperçu sur des aspects tels que le potentiel d’application et les performances économiques.

Le prototype du réacteur à flux solaire couvre désormais une superficie d’environ 0,25 mètre carré. Afin de le rendre complètement autonome, les chercheurs l’ont équipé d’une cellule solaire qui alimente en électricité les unités auxiliaires telles que les pompes et le système de contrôle. Cette cellule solaire est placée derrière le réacteur à flux continu dans une configuration empilée qui, selon Noël, assure une efficacité maximale par centimètre carré. « Les longueurs d’onde d’énergie plus élevées sont utilisées dans le réacteur pour entraîner le photocatalyseur. Les photons restants avec des longueurs d’onde de 600-1100 nm sont convertis en électricité pour entraîner les matériaux auxiliaires. »

Les scientifiques d'UVA développent une mini-usine chimique autonome entièrement solaire

La mini-usine à l’essai sur le terrain. Crédit : Groupe de recherche Noël

Potentiel d’application mondial

Le prototype entièrement autonome utilise également un système de contrôle réactif qui peut optimiser la conversion chimique à différentes intensités lumineuses. « Si un nuage recouvre le soleil, la conversion chimique diminuerait normalement très rapidement », explique Noël. « Notre système est capable de faire les ajustements nécessaires en temps réel. Des tests sur le terrain ont confirmé qu’il est capable d’émettre des produits chimiques à un taux constant même les jours ensoleillés et nuageux. » Les tests ont été effectués aux Pays-Bas. Pour avoir une idée des possibilités d’application dans le monde, des comparaisons ont été faites sur la base de données solaires sur des sites en Norvège (Cap Nord), en Espagne (Almeria) et en Australie (Townsville). Noël : « Même au Cap Nord, avec relativement peu d’énergie solaire, nous supposons des chiffres de production satisfaisants.

Les chercheurs ont également comparé les performances de l’usine prototype avec les chiffres de production de la synthèse photochimique bien connue de l’oxyde de rose. Ce produit pour la parfumerie est fabriqué industriellement par photochimie car il est plus propre et plus efficace que la synthèse chimique classique. Les chercheurs ont calculé que leur système nécessiterait une surface étonnamment petite pour répondre aux besoins annuels actuels – seulement 150 m²2 serait suffisant. Noël : « C’est juste un toit d’usine plein de nos mini plantes ! Les coûts du système seraient similaires à ceux des systèmes photosynthétiques commerciaux actuels. Mais nous n’avons besoin que d’énergie solaire pour qu’il n’y ait pas de coûts énergétiques. Cela pourrait donc vraiment être une stratégie durable pour l’avenir de la fabrication de produits chimiques comme l’oxyde de rose ou de produits pharmaceutiques. »

Laissons les murs fabriquer des produits chimiques

Noël pense que les recherches de son groupe réfutent tout scepticisme quant au potentiel de la technologie chimique solaire : « Nous montrons qu’il existe également des opportunités pour la production chimique solaire ici aux Pays-Bas. Vous n’êtes pas obligé d’aller au Qatar ! De plus, le système est adapté pour une utilisation dans des endroits inattendus. « On pourrait même revêtir la façade d’un immeuble. Le rendement serait alors bien sûr plus faible que si le système était à l’angle optimal par rapport au soleil. Mais c’est tout à fait possible – et comme ce serait cool si les murs faisaient des « produits chimiques! »


Feuille artificielle comme mini-usine de médicaments


Plus d’information:
Tom M. Masson et al., Développement d’une mini-usine chimique autonome à énergie solaire hors réseau pour la production de chimie fine, ChemSusChem (2021). DOI : 10.1002 / cssc.202102011

Fourni par l’Université d’Amsterdam

Citation: Des développent un mini-système chimique autonome entièrement solaire (2021, 14 octobre), consulté le 14 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-scientists-fully-solar-driven-autonomous -chimique.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif seulement.

Laisser un commentaire